高速分散機と高剪断乳化機の応用事例
多成分かつ高粘度の特性を持つ液体および半固形製品の製造プロセスにおいて、高速分散機と高剪断乳化機の組み合わせは、材料の均一性、微細性、および製品の安定性を確保する上で重要な役割を果たします。複合混合材料の処理に従事するある生産施設は、かつて材料の分散と乳化において持続的なボトルネックに遭遇し、それが製品品質の不安定性と低い生産効率につながっていました。高速分散機と高剪断乳化機の組み合わせシステムを導入した後、この施設はこれらの問題を解決し、生産性能と製品の一貫性に大きな改善を達成しました。
背景と既存の課題
この施設は主に、固形粉末、油相、および水相を含む混合材料を処理しており、1日の生産能力要件は180〜250トンです。生産ラインは3交代制で稼働し、各シフトは8時間連続で稼働します。設備アップグレード前、この施設は、分散と乳化の両方のプロセスを完了するために、単一の従来の混合装置に依存しており、その結果、次の顕著な問題が発生していました。
- 不十分な固液分散効果: 従来の混合装置は、材料系内の凝集した固形粉末粒子（初期粒子サイズ50〜100μm）を効果的に分解できませんでした。混合後、多数の微細な凝集物が残り、材料組成の不均一性につながりました。その後の処理中に、これらの凝集物がパイプラインとノズルを詰まらせ、週に平均2〜3回の計画外の生産停止を引き起こしました。
- 貧弱な乳化安定性: 装置は、油相と水相の完全な融合を実現するのに十分なせん断力を欠いていました。完成品は、15〜20日の保管後に層状化または剥離現象を示すことが多く、油水分離率は12〜15％に達しました。これは、製品の使いやすさに影響を与えるだけでなく、再作業と廃棄物処理のコストを増加させ、製品合格率は82〜85％にしか維持されませんでした。
- 低い生産効率と高いエネルギー消費: 単一装置の処理効果が低いため、各材料バッチは、基本的な品質要件を満たすために、40〜50分間繰り返し混合および乳化する必要がありました。装置は、長時間固定された高出力で稼働し、高い単位エネルギー消費をもたらしました。平均1日の電力消費量は320kWhに達し、装置のメンテナンス頻度が高く、平均稼働率は80％にすぎませんでした。
- バッチ間の品質変動が大きい: 従来の装置は、分散速度、乳化時間、およびせん断力の正確な制御を欠いていました。異なるバッチからの製品の感覚品質（テクスチャ、均一性）および物理的および化学的指標（粘度、粒子サイズ分布）は、明らかな違いを示しました。これにより、施設は安定した生産プロセスを確立し、下流の用途の一貫した品質要件を満たすことが困難になりました。
設備構成とプロセス最適化計画
上記の課題に対処するために、この施設は生産プロセスを最適化し、高速分散機と高剪断乳化機からなる組み合わせ処理システムを導入し、「予備分散 - 深層乳化 - 安定混合」の統合処理モードを形成しました。設備の主要な構成とプロセス最適化対策は次のとおりです。
1. 高速分散機の主要構成
選択された高速分散機は、直径200mmのタービン型分散ディスクを装備しており、316Lステンレス鋼製です。分散速度は、周波数変換制御を介して800〜3000rpmの範囲内で無段階に調整でき、最大線速度28m/sを生成します。この装置は、混合タンク（容量5000L）内のさまざまな材料レベルに適応するために、分散ディスクの高さを300〜800mmの範囲内で調整できるリフティング機構を備えています。さらに、分散機は、分散プロセス中の材料の抵抗変化に応じて動作速度を自動的に調整し、過負荷を回避し、安定した動作を保証できるトルク監視装置を備えています。
2. 高剪断乳化機の主要構成
適合する高剪断乳化機は、0.08〜0.2mmのせん断ギャップを持つ4段ステーターローター構造を採用しています。ローター速度は3000〜12000rpmの間で連続的に調整でき、最大75000s⁻¹のせん断速度を生成します。この装置は、混合タンクの底に設置されており、材料のインライン連続乳化を実現しています。これは、乳化中の材料温度を25〜80℃の範囲内で制御できるジャケット付き温度制御装置を備えており、温度変動精度は±1℃であり、高速せん断中の過度の温度上昇による有効成分の損失または材料の劣化を回避します。
3. プロセス最適化対策
元の単一ステップ処理プロセスは、2種類の装置間の合理的な分業を実現する3ステップの組み合わせプロセスに調整されました。
- 予備分散段階: まず、水相材料を混合タンクに追加し、高速分散機を起動し、速度を2000〜2500rpmに調整します。次に、撹拌しながら固形粉末材料をゆっくりとタンクに追加し、10〜15分間予備分散を行います。このプロセスにより、固形粒子の大きな凝集物を迅速に分解し、水相に均一に分散させることができ、その後の乳化処理の負荷を軽減します。
- 深層乳化段階: 予備分散が完了したら、油相材料を混合タンクに追加し、高速分散機の動作を維持しながら高剪断乳化機を起動します。分散機の速度を1200〜1500rpmに、乳化機の速度を8000〜10000rpmに調整し、15〜20分間組み合わせ処理を行います。高速分散機は材料の全体的な均一性を確保し、高剪断乳化機は強力なせん断力を生成して、油相と水相の完全な融合を実現し、微細粒子を必要なサイズに分解します。
- 安定混合段階: 乳化後、高剪断乳化機の速度を3000〜4000rpmに、高速分散機の速度を800〜1000rpmに下げ、5〜8分間低速安定混合を行います。このプロセスは、材料系の内部応力を除去し、エマルジョンの構造を安定させ、完成品の長期保管安定性を確保します。
応用効果とデータ分析
6か月の試運転とパラメータ最適化の後、高速分散機と高剪断乳化機の組み合わせシステムは、製品品質の向上、生産効率の向上、および運用コストの削減において顕著な結果を達成しました。設備アップグレード前後の具体的なデータ比較は次のとおりです。
1. 製品品質の大幅な改善
完成品の粒子サイズ分布が大幅に最適化されました。高速分散機による予備分散後、固形粒子の平均粒子サイズは50〜100μmから8〜12μmに減少しました。高剪断乳化機によるさらなる乳化後、製品の最終的な平均粒子サイズは1〜3μmに制御され、多分散指数（PDI）は0.2未満に維持されました。保管中の製品の油水分離率は、60日間の保管後、12〜15％から2％未満に減少し、製品の安定性が大幅に向上しました。製品合格率は82〜85％から99.2％に増加し、再作業と廃棄物処理のコストを基本的に排除しました。
2. 生産効率の顕著な向上
組み合わせ処理モードにより、単一バッチの処理時間が40〜50分から30〜35分に短縮され、処理効率は約25％向上しました。パイプラインの詰まりによる計画外の停止回数は、週に2〜3回から月に0〜1回に減少し、設備の稼働率は80％から95％に向上しました。同じ1日の生産能力（180〜250トン）で、施設は各シフトの稼働時間を1時間短縮し、生産タスクを時間通りに完了させながら、人件費を削減しました。
3. エネルギー消費とメンテナンスコストの効果的な削減
2種類の装置の周波数変換制御機能により、処理段階に応じた電力の適応調整が実現しました。生産ラインの平均1日の電力消費量は320kWhから240kWhに減少し、25％の削減となり、年間29,200kWhの電力を節約しました。高速分散機と高剪断乳化機は、耐摩耗性材料と最適化された構造設計を採用し、脆弱部品の交換頻度を削減しました。月間のメンテナンスコストは8,000元から3,500元に減少し、年間メンテナンスコストは約54,000元節約されました。
4. バッチ間の品質の安定化
装置の精密制御システムは、分散速度、乳化時間、せん断力、および温度の正確な制御を実現します。異なるバッチの製品間の主要な品質指標（粘度、粒子サイズ分布）の変動係数（CV）は、18〜22％から3〜5％に減少し、製品品質の安定した一貫性を達成しました。これにより、下流の用途の品質要件を満たすだけでなく、施設が生産プロセスを最適化し、製品の競争力を向上させるための信頼できる基盤が提供されます。
重要な経験と操作上の注意点
アプリケーションプロセス中に、施設は、組み合わせた装置システムの安定した動作を確保し、その性能を最大限に発揮するために、次の重要な経験と操作上の注意点をまとめました。
- 材料の添加順序と高速分散機と高剪断乳化機の間の速度のマッチングは、処理効果にとって重要です。予備分散中に固形粉末材料を速く添加しすぎないようにし、分散機が粒子の二次凝集を防ぐために十分な速度を維持するようにする必要があります。
- 高速分散機の分散ディスクと高剪断乳化機のステーターローターの摩耗状態を定期的に確認してください。摩耗量が0.5mmを超えた場合は、分散および乳化効果の低下を避けるために、タイムリーな交換が必要です。
- 乳化プロセス中は、材料温度を厳密に制御してください。熱に敏感な材料の場合、乳化機の速度を適切に下げるか、冷却システムを起動して、過度の温度上昇による材料の劣化を避ける必要があります。
- 装置の長期的な安定した動作を確保するために、装置表面と材料接触部品の毎日の清掃、周波数変換器と制御システムの毎月の検査、潤滑油とシールの四半期ごとの交換など、標準化された装置メンテナンスシステムを確立します。
概要
高速分散機と高剪断乳化機の組み合わせシステムの適用は、施設の生産プロセスにおける分散効果の悪さ、不安定な乳化、低い生産効率、および大きな品質変動という長年の問題を根本的に解決しました。プロセス最適化と合理的な装置のマッチングにより、このシステムは分散と乳化機能の効率的な統合を実現し、製品品質と生産効率を大幅に向上させ、運用コストを削減しました。
多成分混合材料を含む生産シナリオでは、高速分散機と高剪断乳化機の組み合わせ使用は、それぞれの利点を最大限に発揮し、単一装置の制限を補い、より効率的で安定した処理モードを形成できます。プロセスパラメータの継続的な最適化と標準化された装置の操作とメンテナンスを通じて、組み合わせた装置システムは、施設の持続可能な開発に信頼できる技術サポートを提供し、施設が生産競争力を向上させ、市場のますます厳格な品質要件に適応するのに役立ちます。
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